CN106353086B - 两个构件之间的接触扭矩测量装置和测量方法 - Google Patents
两个构件之间的接触扭矩测量装置和测量方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种两个构件之间的接触扭矩测量装置。这种装置包括：试验件，试验件包括固定构件和运动构件；运动模拟系统，运动模拟系统连接于运动构件，以及将运动构件所需的模拟运动传递到运动构件，使运动构件根据所需的模拟运动的轨迹运动；环境控制和检测系统，环境控制和检测系统能够控制环境的温度、湿度，使试验件置于要模拟的测量环境中；运动控制和测量数据记录系统，以对运动模拟系统发出进行模拟运动的指令，并在模拟运动过程中测量运动模拟系统所承受的扭矩载荷。本发明还涉及采用上述的接触扭矩测量装置测量缝翼与机翼前缘的接触扭矩的方法。
Description
技术领域
本发明涉及结构件力学性能测试领域，具体涉及一种两个构件之间的接触扭矩测量装置和测量方法。本发明尤其涉及一种民用飞机缝翼与机翼前缘接触扭矩测量装置和测量方法，用于测量在不同环境条件下(高低温、高低湿度、雨淋、沙尘、油污及结冰等条件)的运动过程中，诸如缝翼密封条与机翼固定前缘间压缩和摩擦导致的操作系统扭矩载荷。
背景技术
在前缘缝翼闭合时(相当于没有安装前缘缝翼)，随着迎角的增大，机翼上表面的分离区逐渐向前移，当迎角增大到临界迎角时，机翼的升力系数急剧下降，机翼失速。当前缘缝翼打开时，它与基本机翼前缘形成一道缝隙，下翼面压强较高的气流通过这道缝隙得到加速而流向上翼面，增大了上翼面附面层中气流的速度，降低了压强，消除了这里分离漩涡，从而延缓了气流分离，避免了大迎角下的失速，使得升力系数提高。因此，在机翼前缘设置缝翼，随着缝翼的释放运动，在缝翼与机翼前缘之间形成缝隙。
民用飞机缝翼内表面安装有缝道橡胶密封条，这些密封条有诸如图5所述的方式a、b和c，图7中的附图标记50示出其中的一种形式，，根据需要设置在缝翼内表面的所需的位置上，以保证巡航构型下缝道密封性能。
此外，为控制巡航构型下的缝翼与机翼之间的气动阶差，可能对缝翼尾缘采用预干涉设计。为此，为防止结构磨损，在缝翼尾缘还会设置尾部防磨条，如图7的附图标记60所示。
在缝翼小角度收放过程中，中部密封条与尾部防磨条和机翼固定前缘之间存在不同程度的压缩及摩擦现象，所产生的压缩和摩擦载荷影响缝翼操纵系统的操纵载荷，由此产生的缝翼操纵载荷增量称为“缝翼与机翼前缘接触扭矩”。
操纵载荷是整个缝翼操纵系统设计关键输入数据之一，直接决定动力驱动装置液压马达功率、作动器传动比等系统操纵性能需求，同时也是作动器扭矩限制器载荷、系统与结构的界面载荷、耐久性载荷谱和疲劳载荷谱应考虑的主要因素之一。
影响缝翼操纵载荷增量的因素除了缝道中部橡胶密封条和尾部防磨条之外，还包括使用环境。民用飞机的使用环境比较复杂，包括高低温、高低湿度、雨淋、沙尘、油污及结冰等条件。
影响缝翼操纵载荷增量的因素还包括密封条的安装变形、密封条和尾缘的预载。
为此，为了降低飞机缝翼操纵系统设计风险，需要考虑影响操纵系统的输入数据的诸如上述的各种因素，因此需要一种缝翼与机翼前缘接触扭矩测试装置，以准确测量对“缝翼与机翼前缘接触扭矩”的各影响因素，定量评估这些因素对“缝翼与机翼前缘接触扭矩”的影响，从而获得准确的缝翼与机翼前缘界面上接触压力和摩擦力对缝翼转轴形成的扭矩，统称为“缝翼与机翼前缘接触扭矩”。
发明内容
本发明要解决的技术问题是定量获知缝翼对整个缝翼操纵系统的输入数据的影响。
为此，本发明提供一种两个构件之间的接触扭矩测量装置,包括：
试验件，所述试验件包括固定构件和运动构件；
运动模拟系统，所述运动模拟系统连接于所述固定构件和运动构件，以及将所述运动构件相对固定构件所需的模拟运动传递到所述运动构件，使所述运动构件根据所需的模拟运动的轨迹运动；
环境控制和检测系统，所述环境控制和检测系统能够控制环境的温度、湿度，使所述试验件置于要模拟的测量环境中；
运动控制和测量数据记录系统，以对所述运动模拟系统发出进行所述模拟运动的指令，并在模拟运动过程中测量运动模拟系统所承受的扭矩载荷。
优选的是，所述运动模拟系统包括：旋转运动机构；凸轮运动机构，所述凸轮运动机构的输入端连接于旋转运动机构的输出端，所述凸轮运动机构的输出端连接于所述运动构件，所述凸轮运动机构将所述旋转运动机构的旋转运动转换成所述运动构件所需的模拟运动。
优选的是，所述旋转运动机构包括：伺服电机；传动轴，所述传动轴连接于所述伺服电机；所述凸轮运动机构包括：齿轮，所述齿轮连接于所述传动轴；齿条，所述齿条包括凸轮槽，所述齿轮与所述凸轮槽啮合；其中，所述运动构件固定地连接于所述齿条，使得所述运动构件随着所述伺服电机的旋转而朝所述固定构件移动并因此接触所述固定构件，或移离所述固定构件。
优选的是，所述环境控制和检测系统包括：至少一个温度传感器，检测所述测量环境的环境温度；至少一个湿度传感器，检测所述测量环境的环境湿度；温度调节器，控制所述测量环境的环境温度；湿度调节器，控制所述测量环境的环境湿度。
优选的是，所述环境控制和检测系统还包括：沙尘和结冰条件模拟装置。
优选的是，所述环境控制和检测系统还包括：环境箱，所述环境箱限定所述测量环境。
优选的是，所述运动控制和测量数据记录系统包括：扭矩传感器，所述扭矩传感器安装在运动模拟系统的所述传动轴上；控制器，所述控制器连接于所述伺服电机；计算机，所述计算机向所述控制器发出使所述运动构件进行模拟运动的指令。
优选的是，所述固定构件包括固定前缘；所述运动构件包括缝翼样件，所述缝翼样件包括中部密封条和尾缘防磨条中的至少一个。
本发明还提供一种采用如上技术方案的接触扭矩测量装置测量缝翼与机翼前缘的接触扭矩的方法，所述方法包括步骤：
a)调节温度调节器与湿度调节器，使环境箱内的环境温度与环境湿度达到预定值；
b)将未安装有密封条或防磨条的缝翼样件固定地连接于齿条；
c)通过计算机设置预定的运动参数，根据计算机发出的指令，伺服电机旋转，使缝翼样件根据模拟运动的轨迹运动；
d)通过安装在齿轮与伺服电机之间的传动轴上的扭矩传感器实时测量并记录缝翼样件运动过程中的扭矩载荷，测量并记录所述传动轴此时的扭矩载荷为空载扭矩M0；
优选的是，上述方法还包括步骤：
e)安装尾缘防磨条；
d)按步骤a、c设置相同的环境和运动参数，并使缝翼运动到其尾缘达到设计的干涉量，通过所述扭矩传感器实时测量并记录缝翼样件运动过程中的扭矩，测量并记录所述传动轴此时的扭矩载荷为Mf。，则由缝翼尾缘干涉和尾缘防磨条产生的缝翼操纵扭矩为M1＝Mf-M0。
优选的是，上述方法还包括步骤：
f)安装尾缘防磨条和中部密封条；
g)按步骤a、c设置相同的环境和运动参数，并使缝翼运动到其尾缘达到设计的干涉量，通过所述扭矩传感器实时测量并记录缝翼样件运动过程中的扭矩，测量并记录所述传动轴此时的扭矩载荷为Mf+s，则由缝翼中部密封条产生的缝翼操纵扭矩为M2＝Mf+s-Mf-M0。
根据本发明的两个构件之间的接触扭矩测量装置以及采用这种两个构件之间的接触扭矩测量装置测量缝翼与机翼前缘的接触扭矩的方法具有如下优点：
1、接触扭矩测量装置的各部件结构简单，连接和拆卸方便，成本低；
2、可以在高低温、高低湿度、油污、沙尘、雨淋、结冰等各种环境下完成扭矩测量，适应范围广；
3、接触扭矩测量装置的自动化程度高，测量结果准确直观。
附图说明
图1是根据本发明的两个构件之间的接触扭矩测量装置的前视示意图；
图2是图1所示的两个构件之间的接触扭矩测量装置的侧视示意图；
图3是图2所示的两个构件之间的接触扭矩测量中的缝翼样件在安装了中部密封条之后的从图2的右侧图示的侧视图；
图4示出了图1所示的两个构件之间的接触扭矩测量装置的缝翼样件进行模拟运动的收起方向和释放方向；
图5示出了根据本发明的两个构件之间的接触扭矩测量装置中的缝翼样件的密封条的实施例；
图6分别用内侧视图和侧视图示出了安装有密封条的缝翼样件的细节；
图7示出了现有技术中的缝翼和密封条；
图8是示出了根据本发明的传动系统中的带有凸轮槽的齿条的示意图；
图9是示出了根据本发明的传动系统中的齿轮的俯视图和剖视图。
附图标记列表：
10：试验件
11：固定前缘；12：缝翼样件；12a：缝翼样件的缝翼内表面蒙皮；13：支撑底座；14：压板：14a：压板的末端；15：密封条；15a：密封条的尾翼；
20：运动模拟系统
21：伺服电机；22：传动轴；23：齿轮；24：齿条；25：凸轮槽；
30：环境控制和检测系统
31：环境箱；32：温度传感器；33：湿度传感器；34：温度调节器；35：湿度调节器；
40：运动控制和测量数据记录系统
41：扭矩传感器；42：控制器；43：计算机
具体实施方式
下面结合附图和实施例来进一步描述本发明，以更加清楚地了解本发明的原理和技术效果。
如图1所示，根据本发明的接触扭矩测量装置包括试验件10、运动模拟系统20、环境控制和检测系统30和运动控制和测量数据记录系统40。
如图1和2所示，试验件10包括固定前缘11和缝翼样件12。固定前缘11安装在支撑底座13上。
缝翼样件12由缝翼隔框、缝翼蒙皮、缝翼上梁、加强板等组成；固定前缘11由机翼固定前缘隔框、机翼固定前缘蒙皮、支架等组成。缝翼样件12和固定前缘11的蒙皮均通过蒙拉工艺制造，以保证装配精度(缝道法向误差≤1mm)。在完成接触扭矩测试装置装配以后，需用数控加工的卡板检测缝道误差。缝翼样件的后端可切去，并设计相应的接口，以便设计不同的后端并安装。缝翼样件、密封条、缝翼样件中的后段(尾尖)构造成能够在接触扭矩测量装置上快速装卸。
如图5所示，其示出缝翼样件12的缝翼内表面蒙皮12a，根据需要，在缝翼内表面蒙皮12a的不同位置上设置形式不同的P型密封件，图中示出了三种方式a、b和c的密封条。密封条通过夹板安装，密封条有三种样式，可分别安装进行测试。在一个实施例中，如图6所示，密封条15包括尾翼15a，作为密封件夹具的压板14固定在缝翼样件12的缝翼内表面蒙皮12a上，其末端14a面对缝翼蒙皮内表面12a的一侧为锯齿状，密封条15的尾翼15a通过压板14被夹持在压板的末端14a与缝翼样件12的缝翼内表面蒙皮之间。
如图1、2、8和9所示，运动模拟系统20包括伺服电机21、传动轴22、齿轮23和齿条24，齿条24包括凸轮槽25。传动轴22连接于伺服电机21，齿轮23安装在伺服电机21的传动轴22上从而连接于传动轴22，齿轮23与齿条24的凸轮槽25啮合。齿轮23驱动齿条24运动，通过驱动齿条24的形状设置以及传动比等对载荷及运动进行调整，以实现所需要测试的缝翼样件12相对固定前缘样件11的旋转运动。缝翼样件12固定地连接于齿条24的一端，使得缝翼样件12随着伺服电机21的旋转而朝固定前缘11移动(沿图4所示的收起方向A)并因此接触固定前缘11，或移离固定前缘11(沿图4所示的释放方向B)。
如图1和2所示，环境控制和检测系统30包括检测测量环境的环境温度的至少一个温度传感器32、检测测量环境的环境湿度的至少一个湿度传感器33、控制测量环境的环境温度的温度调节器34、控制测量环境的环境湿度的湿度调节器35、以及容纳上述的各个构件的以限定检测所需的环境的环境箱31。在一较佳实施例中，环境控制和检测系统30还包括沙尘和结冰条件模拟装置(图中未示出)。
在如图1和2所示的实施例中：环境箱31带有密封门和观察窗(图中未示出)；温度传感器32有四个，固定前缘11的每一侧各安装有两个温度传感器32；湿度传感器33有两个，固定前缘11的每一侧各安装有一个湿度传感器33；温度调节器34为加热和制冷设备，湿度调节器35为加湿设备，加热和制冷设备和加湿设备都可安置在支撑底座13内。通过环境控制和检测系统30，可按要求设定测量环境的温度和湿度，并保持一定时间内恒定。
如图1和2所示,运动控制和测量数据记录系统40包括扭矩传感器41、控制器42和计算机43。扭矩传感器41安装在运动模拟系统20的传动轴22上，控制器42连接于伺服电机21，计算机43向控制器42发出使缝翼样件12进行模拟运动的指令。
环境控制和检测系统30主要控制和测量温度、湿度等环境参数。在一个实施例中，对于温度，采用制冷机组作为冷却系统，采用电阻丝作为热源，以空气为制冷和加热介质，通过调节制冷和加热的功率，实现-60℃～60℃温度范围内任意温度的调节。
对于湿度，可以通过计算机43及试验控制仪表(图中未示出)，对环境箱内31的温度和湿度进行设定、调节和控制，并可以实现结霜、结冰等环境条件。
运动控制和测量数据记录系统40主要负责控制缝翼样件12的运动和记录测量数据，通过控制器42和计算机43控制伺服电机转动，驱动齿轮/齿条的传动系统，进而实现缝翼样件12的沿图4所示的收起方向和释放方向进行的收放运动。计算机程序设计为可以控制伺服电机21转动特定角度，使缝翼样件12能够模拟缝翼的实际收放运动。
安装在传动轴22上的扭矩传感器41测量缝翼收放时绕缝翼转轴(即，使缝翼作动的齿轮的旋转轴)的作动扭矩(即由缝翼样件12上的密封件挤压和摩擦产生的扭矩)。温度传感器32、湿度传感器33、扭矩传感器41的的数据输入计算机43，以实现温度、湿度、转角及扭矩数据与时间的关系可以实时显示。
在一个实施例中，为了保证测量的稳定性和精度，扭矩传感器41、伺服电机21等设备可置于测量环境之外。更进一步地，温度调节器34和湿度调节器35也可置于测量环境之外。
以下结合附图通过一实施例来描述采用本发明的接触扭矩测量装置来测量飞机缝翼密封条的扭矩载荷的方法。
1、缝翼及机翼的翼形设计
飞机缝翼及机翼固定前缘的实际形状均为空间锥体，但在一小段范围内截面变化不大。为降低试验成本、缩短试验周期，在试验中，将缝翼样件12和固定前缘11设计为二维翼形。
2、模拟运动的控制和载荷的测量
在该实施例中采用齿轮和齿条组件驱动缝翼样件12运动，如图2所示。将固定前缘11安装在支撑底座13上，缝翼样件12与齿条24的一端固连。通过控制系统(例如计算机43和控制器42)控制伺服电机21的转动，由此带动齿轮23转动，进而通过齿轮23与齿条24中的凸轮槽25的啮合，驱动齿条24运动，实现缝翼样件12的模拟运动。
齿轮23与伺服电机21之间的传动轴22上的扭矩传感器41可以实时测量并记录缝翼样件12运动过程中的扭矩载荷。
3、消除系统摩擦及其他影响
由于存在系统摩擦，会产生相应的扭矩载荷，且缝翼样件12和齿条24的重力等对虚拟转轴也会产生相应的扭矩载荷，这些扭矩载荷都将被扭矩传感器41测量，但均非试验所需要的扭矩，因此，在测试过程中需要将这些扭矩载荷的影响消除。
4、扭矩载荷测量主要步骤：
a.调节温度调节器34与湿度调节器35，使环境箱31内温度与湿度达到预定值；
b.将未安装有密封条/防磨条的缝翼样件12与齿条24固连，控制缝翼样件12偏角使缝翼样件12尾缘不与机翼前缘干涉，通过计算机设置预定的运动参数，通过扭矩传感器41测量仅由系统摩擦和缝翼样件12重量引起的扭矩载荷，并记录此时的扭矩载荷为空载扭矩M0(空载扭矩M0的定义：尚未施加接触摩擦的扭矩，为测试系统固有属性，所以后续测量时需扣除)；
c.安装尾缘防磨条，按步骤a、b设置相同的环境和运动参数，控制缝翼样件12使缝翼尾缘达到设计的干涉量，测量并记录此时的载荷为Mf。则由缝翼尾缘干涉和尾缘防磨条产生的缝翼操纵扭矩载荷为M1＝Mf-M0；
d.安装尾缘防磨条和中部密封条，按步骤a、b设置相同的环境和运动参数，控制缝翼样件12并使缝翼尾缘达到设计的干涉量，测量并记录此时的载荷为Mf+s。则由缝翼中部密封条产生的缝翼操纵扭矩为M2＝Mf+s-Mf-M0。
5、环境改变对缝翼操纵扭矩载荷的影响
通过改变环境箱31的环境条件，本发明的接触扭矩测量装置还可以进行如下的试验：
低温淋雨结冰环境下的缝翼操纵扭矩载荷；
低温凝雾结冰环境下的缝翼操纵扭矩载荷；
过冷结冰环境下的缝翼操纵扭矩载荷。
以上实施例中的各个特征还可以根据本发明原理在合理范围内作任意组合，这种组合也落入本发明的保护范围内。
上述示例性的实施例示出了解决本发明要解决的技术问题的技术方案中的一个实施例。在该实施例的示例下，其它符合本发明原理的等效和类似的手段都属于本发明保护的范围中。
Claims (11)
1.一种两个构件之间的接触扭矩测量装置,包括：
试验件(10)，所述试验件(10)包括固定构件(11)和运动构件(12)；
运动模拟系统(20)，所述运动模拟系统(20)连接于所述固定构件(11)和运动构件(12)，以及将所述运动构件(12)相对固定构件(11)所需的模拟运动传递到所述运动构件(12)，使所述运动构件(12)根据所需的模拟运动的轨迹运动；
环境控制和检测系统(30)，所述环境控制和检测系统(30)能够控制环境的温度、湿度，使所述试验件(10)置于要模拟的测量环境中；
运动控制和测量数据记录系统(40)，以对所述运动模拟系统(20)发出进行所述模拟运动的指令，并在模拟运动过程中测量运动模拟系统(20)所承受的扭矩载荷。
2.如权利要求1所述的接触扭矩测量装置，其特征在于，
所述运动模拟系统(20)包括：
旋转运动机构；
凸轮运动机构，所述凸轮运动机构的输入端连接于旋转运动机构的输出端，所述凸轮运动机构的输出端连接于所述运动构件(12)，所述凸轮运动机构将所述旋转运动机构的旋转运动转换成所述运动构件(12)所需的模拟运动。
3.如权利要求2所述的接触扭矩测量装置，其特征在于，
所述旋转运动机构包括：
伺服电机(21)；
传动轴(22)，所述传动轴(22)连接于所述伺服电机(21)；
所述凸轮运动机构包括：
齿轮(23)，所述齿轮(23)连接于所述传动轴(22)；
齿条(24)，所述齿条(24)包括凸轮槽(25)，所述齿轮(23)与所述凸轮槽(25)啮合；
其中，所述运动构件(12)固定地连接于所述齿条(24)，使得所述运动构件(12)随着所述伺服电机(21)的旋转而朝所述固定构件(11)移动并因此接触所述固定构件(11)，或移离所述固定构件(11)。
4.如权利要求3所述的接触扭矩测量装置，其特征在于，
所述环境控制和检测系统(30)包括：
至少一个温度传感器(32)，检测所述测量环境的环境温度；
至少一个湿度传感器(33)，检测所述测量环境的环境湿度；
温度调节器(34)，控制所述测量环境的环境温度；
湿度调节器(35)，控制所述测量环境的环境湿度。
5.如权利要求4所述的接触扭矩测量装置，其特征在于，
所述环境控制和检测系统(30)还包括：沙尘和结冰条件模拟装置。
6.如权利要求5所述的接触扭矩测量装置，其特征在于，
所述环境控制和检测系统(30)还包括：
环境箱(31)，所述环境箱限定所述测量环境。
7.如权利要求3－6中的任何一项所述的接触扭矩测量装置，其特征在于，
所述运动控制和测量数据记录系统(40)包括：
扭矩传感器(41)，所述扭矩传感器安装在运动模拟系统(20)的所述传动轴(22)上；
控制器(42)，所述控制器(42)连接于所述伺服电机(21)；
计算机(43)，所述计算机(43)向所述控制器(42)发出使所述运动构件(12)进行模拟运动的指令。
8.如权利要求7所述的接触扭矩测量装置，其特征在于，
所述固定构件(11)包括固定前缘；
所述运动构件(12)包括缝翼样件，所述缝翼样件包括中部密封条和尾缘防磨条中的至少一个。
9.一种采用如权利要求8中的接触扭矩测量装置测量缝翼与机翼前缘的接触扭矩的方法，所述方法包括步骤：
a)调节温度调节器(34)与湿度调节器(35)，使环境箱(31)内的环境温度与环境湿度达到预定值；
b)将未安装有密封条或防磨条的缝翼样件(12)固定地连接于齿条(24)；
c)通过计算机(43)设置预定的运动参数，根据计算机(43)发出的指令，伺服电机旋转，使缝翼样件根据模拟运动的轨迹运动；
d)通过安装在齿轮(23)与伺服电机(21)之间的传动轴(22)上的扭矩传感器(41)实时测量并记录缝翼样件运动过程中的扭矩载荷，测量并记录所述传动轴(22)此时的扭矩载荷为空载扭矩M0。
10.如权利要求9所述的测量缝翼与机翼前缘的接触扭矩的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：
e)安装尾缘防磨条；
d)按步骤a、c设置相同的环境和运动参数，并使缝翼运动到其尾缘达到设计的干涉量，通过所述扭矩传感器(41)实时测量并记录缝翼样件运动过程中的扭矩，测量并记录所述传动轴(22)此时的扭矩载荷为Mf。，则由缝翼尾缘干涉和尾缘防磨条产生的缝翼操纵扭矩为M1＝Mf-M0。
11.如权利要求10所述的测量缝翼与机翼前缘的接触扭矩的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：
f)安装尾缘防磨条和中部密封条；
g)按步骤a、c设置相同的环境和运动参数，并使缝翼运动到其尾缘达到设计的干涉量，通过所述扭矩传感器(41)实时测量并记录缝翼样件运动过程中的扭矩，测量并记录所述传动轴(22)此时的扭矩载荷为Mf+s，则由缝翼中部密封条产生的缝翼操纵扭矩为M2＝Mf+s-Mf-M0。
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| CN106353086A (zh) | 2017-01-25 |
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